MIT突破性发现！魔角三层石墨烯首现非常规超导直接证据

（来源：MIT News）

超导体常被称为电流世界的“高速列车”，电子在其中能够无阻力穿行、几乎不损耗能量。正因如此，它们是核磁共振设备、粒子加速器等高能系统的核心。但常规超导体要在极低温环境下才能工作，需要庞大的冷却装置，这也极大限制了它们的应用范围。

如果有一天能在常温下实现超导，意味着从零能耗电网、超高效能计算，到实用化的量子计算系统的广泛落地，都将成为现实。为此，科学家们正积极探索所谓“非常规超导体”，那些以不同于传统机制实现超导的材料。

近日，麻省理工学院（MIT）物理学家取得了一项突破，他们首次在魔角扭转三层石墨烯（Magic-Angle Twisted Trilayer Graphene，简称 MATTG）中，直接观测到非常规超导性的关键实验证据。这种材料由三层原子级薄的石墨烯堆叠而成，并以特定的“魔角”扭转，从而激发出奇特的量子特性。这一成果发表在 Science 上。

“魔角”的奥秘

石墨烯是一种由碳原子组成的单层二维材料，原子间以六边形方式排列，形似“蜂巢”或“铁丝网”。通过精细剥离石墨块中的薄片，人们可以获得原子级厚度的石墨烯。

早在 2010 年代，理论物理学家就预测：如果将两层石墨烯以一个特定角度堆叠，所得结构可能展现出奇异的电子行为。

2018 年，该研究的负责人帕布罗·哈里略-赫雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）团队首次在实验中成功制备出“魔角双层石墨烯”，并发现了其独特的量子特性。这一发现开创了全新的研究方向，“扭转电子学”（Twistronics），即通过精确控制二维材料的堆叠角度来调控其物理性质。此后，该团队研究了多种魔角结构，包括双层、三层及其他多层石墨烯组合，以及其他二维材料的扭转结构。不同研究组的成果表明，其中部分结构可能具有非常规超导的特征。

超导是一种特殊状态：在某些条件（通常是低温）下，材料内的电子会不再相互排斥，而是两两配对，以所谓的“库珀对”形式存在。这种电子对能够无阻力地在材料中滑行，不再碰撞散射、造成能量损耗。这种“配对”机制是超导现象的核心，但电子如何结合在一起、形成配对的方式却可能千差万别。

“在常规超导体中，这些电子对之间距离较远、结合较弱，”第一作者朴贞敏（Jeong Min Park）解释道，“但在魔角石墨烯中，我们早已看到一些迹象表明这些电子对结合得非常紧密，几乎像一个分子，这说明它的超导机制与众不同。”

穿隧观察

在这项新研究中，MIT 团队的目标是直接确认魔角石墨烯结构中的非常规超导性。要做到这一点，关键就在于测量材料的超导能隙，这是判断超导类型的核心指标

MIT 团队通过一种全新的实验平台，首次直接测量了魔角三层石墨烯的超导能隙。该实验平台结合电子隧穿与电输运测量。

传统的“隧穿谱”可以揭示电子在量子尺度下如何穿透材料势垒，但并不能确定材料是否真正处于超导状态。MIT 团队的创新在于将其与电阻测量结合：只有当材料的电阻完全降为零（即进入超导状态）时，他们才在信号中观测到对应的能隙峰值。这一方法让科学家首次能够实时观测二维材料中超导能隙的生成与演化过程，大幅提升了研究的精度与确定性。

实验显示，该材料的能隙形状呈现明显的“V”字形，与常规超导体平滑的能隙曲线截然不同。这一独特特征意味着，MATTG 内部电子的配对机制并非传统晶格振动所致，而是可能由电子之间的强相互作用驱动——这是非常规超导的重要标志。

未来，团队计划利用这项实验平台研究更多二维“扭转结构”材料，以绘制出不同体系下超导能隙的全貌，为新型高温甚至室温超导体的设计提供线索。

“这项平台让我们能够在同一样品上同时识别并追踪超导态与其他量子态的竞争与转化，为未来量子材料和量子计算机奠定基础。”朴贞敏表示。

1.https://news.mit.edu/2025/physicists-observe-evidence-unconventional-superconductivity-graphene-1106

2.Jeong Min Park et al. ,Experimental evidence for nodal superconducting gap in moiré graphene.Science0,eadv8376DOI:10.1126/science.adv8376